MEMS器件封裝技術(shù)

袁永舉王靜

(1.中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024；2.無錫華測電子系統(tǒng)有限公司，江蘇無錫 214000)

微電子機械系統(tǒng)（亦稱微機電系統(tǒng)，MEMS）是利用微機械加工工藝制作具有機械特性的傳感器系統(tǒng)。通常利用硅或者非硅材料作為其機械結(jié)構(gòu)，以獲得優(yōu)異的機械性能。該系統(tǒng)包括傳感器、執(zhí)行器等微機械基本部分以及高性能的電子集成線路。MEMS是一種收集、分析處理信息和執(zhí)行動作指令的集成器件，其集中了微電子學、光學，生物學，物理學，化學，力學，機電一體化及材料科學等的高技術(shù)理論及實際生產(chǎn)工藝技術(shù)[1]。

微機電系統(tǒng)是在微電子封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了硅微加工、LIGA技術(shù)和精密機械加工等多種微加工技術(shù)。微電子封裝技術(shù)是MEMS器件封裝技術(shù)的重要基礎(chǔ)，其主要加工手段（如Si材料制備、光刻、金屬化等）均在MEMS制備中發(fā)揮極大作用。雖然MEMS封裝與微電子封裝技術(shù)具有某些相似之處，但由于MEMS器件的功能特殊性，并不能簡單地將微電子封裝技術(shù)移植到MEMS封裝技術(shù)中。MEMS封裝與微電子封裝相比，具有如下的一些特殊性：

（1）微腔體：由于MEMS器件通常具有微可動結(jié)構(gòu)，因此，在對其進行封裝過程中，需要使用微腔體對其進行保護；

（2）應(yīng)力隔離：MEMS器件的性能會受到應(yīng)力狀態(tài)的影響，因此，必須避免由于封裝所引入的應(yīng)力，在封裝過程中必須考慮應(yīng)力隔離；

（3）真空封裝：陀螺、紅外傳感器等器件需要進行真空封裝，而真空封裝后，保持其真空度也是MEMS封裝的主要瓶頸之一；

（4）氣密封裝：加速度、開關(guān)等MEMS器件需要氣密封裝，防止外界水汽等對其性能、可靠性產(chǎn)生影響。有的MEMS封裝氣密性甚至要達到10～12 Pa·m3/s數(shù)量級。

基于MEMS封裝技術(shù)的特殊性，MEMS的封裝成本占整個MEMS器件成本的70%以上,成為MEMS技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。本文將討論MEMS器件的芯片級、器件級和系統(tǒng)級3個層次的封裝方式，并將討論MEMS封裝中需要特殊考慮的問題。

MEMS主流封裝技術(shù)分3個層次，分別為圓片級、器件級和系統(tǒng)級封裝。

1 圓片級封裝

很多MEMS產(chǎn)品在進行劃片之前，需要對其進行封裝，即圓片級封裝（WLCSP)。通常利用圓片級鍵合實現(xiàn)[2]。幾種成熟的鍵合技術(shù)比較如表1。

表1 幾種鍵合技術(shù)的比較

陽極鍵合技術(shù)又稱靜電鍵合，可以將硅與玻璃，硅與金屬等半導(dǎo)體在不用粘接劑的情況下鍵合在一起。將鍵合的硅片接正極，另外接負極，極間施加200～1 000 V的電壓，鍵合溫度為180～500℃，兩極間在靜電作用下鍵合。其鍵合后的剪切力強度可達到或超過玻璃或硅自身的強度。優(yōu)點是鍵合溫度低，鍵合界面長期穩(wěn)定性好。

硅與硅雖然可以直接鍵合，但是直接鍵合的溫度高且過程難以控制，條件要求比較苛刻。在遇到硅材料需要直接鍵合時，可以考慮選用靜電鍵合工藝來實現(xiàn)，但需在其中一個硅片表面上沉積一定厚度玻璃膜作為中間層，施加10 A/m2且溫度設(shè)置在400～550℃就可實現(xiàn)靜電鍵合，其鍵合后的界面穩(wěn)定性好。還可以選用在真空環(huán)境下采用Ar＋束轟擊硅片表面，在25℃左右環(huán)境下便能完成鍵合。

玻璃鍵合是用專用的絲網(wǎng)印刷、噴鍍等一系列技術(shù)手段將高純度、低鈉的超精細玻璃粉懸浮在酒精溶液中并置于一對被鍵合的界面而實現(xiàn)焊接，焊接表面氣密好，機械強度高。

2 器件級封裝

將易損壞或電路易受干擾的器件用管殼類等保護起來，通過引腳或其他I/0口為有源傳感器或執(zhí)行器部分提供接口，實現(xiàn)與外部的電氣互聯(lián)。主要有金屬封裝，陶瓷金屬化封裝及塑料封裝3種情況。

2.1 金屬封裝

金屬封裝具有良好的熱散性，并能提供金屬屏障，屏蔽周邊電磁干擾。通過在陶瓷基板上共晶焊接芯片或其他控制電路，然后將基板與金屬底座粘接或共晶焊接，引線到對應(yīng)I/0口，最后利用平行縫焊等封帽工藝焊接好管帽。

金屬外殼的封帽極其重要，對封裝后的器件的氣密性、水氣含量、可靠性等都有嚴格的要求。對使用的封接材料（如焊環(huán)）的熔點必須低于器件內(nèi)部任何一種焊接材料的焊接溫度，且封冒前進行真空烘烤，封冒時執(zhí)行一個嚴格的階梯溫度。常見的幾種金屬封裝外形如圖1所示。

圖1 幾種金屬封裝外形

2.2 陶瓷封裝

陶瓷封裝有質(zhì)量輕、成本低、氣密性較好、可大量生產(chǎn)等特點，但陶瓷封裝的器件也可能會遇到問題，如陶瓷燒結(jié)后“收縮”失效，這對要求氣密性封裝的器件是不可接受的；陶瓷和金屬材料的焊接強度比陶瓷和陶瓷的要弱。

2.3 塑料封裝

塑料封裝形式具有成本低、可靠性較高等優(yōu)點，但是對于有氣密性要求的器件就不是很合適。在高溫或者高濕環(huán)境下，塑料封裝也有可能出現(xiàn)分層和開裂的情況[4]，塑料封裝按照模的形式一般分為前鑄模和后鑄模兩種方式（如圖2、圖3所示），兩者的主要區(qū)別是后鑄模有個空腔，并在鍵合后通過粘接蓋板來保護器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖2 塑料前鑄模封裝

圖3 塑料后鑄模封裝

前鑄模有注射以及轉(zhuǎn)移兩種鑄模方式。對于有氣密性要求且內(nèi)凹腔體的MEMS器件，封裝時一般選用注射鑄模，而其他的一般選用轉(zhuǎn)移鑄模。

以上3種均是采用標準成型封裝。封裝工藝主流流程是：第一，將芯片焊接在基板上，第二用金絲、鋁絲或銅線實現(xiàn)芯片和封裝引線之間的電氣連接，第三噴涂化合物材料保護或封冒。

3 多芯片封裝（Multi Chip Module）

MCM是一種由兩個或兩個以上裸芯片或者芯片尺寸封裝(CSP)的IC組裝在一個基板上的模塊，模塊組成一個電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)。它提供了一種新的MEMS器件集成封裝的方法，支持在不改變MEMS和電路的生產(chǎn)工藝的情況下，在同一基板上集成不同功能的芯片。根據(jù)基板和芯片間互連方法的不同，MCM有多種不同的形式。如傳統(tǒng)的通過金/鋁絲引線鍵合、凸點倒裝焊。MCM具有明顯的封裝密度，從而降低信號的延遲性，提高其系統(tǒng)整體性能。

4 模塊式技術(shù)(MOMEMS)[1,5,6]

MOMEMS源于CSP和MCM，微系統(tǒng)尺寸緊湊，封裝形式由原來的二維向三維封裝擴展。微系統(tǒng)集合有多種物理參數(shù)所需要的I/0口，其集成了不同功能的同時還實現(xiàn)盡可能高的封裝密度，和傳統(tǒng)的微系統(tǒng)主要區(qū)別在于執(zhí)行標準的批量生產(chǎn)，縮短產(chǎn)品投入銷售市場的時間。

5 MEMS封裝中存在的問題[1,2,5]

由于MEMS產(chǎn)品的成本主要在封裝上，器件在設(shè)計初期就需要盡可能多的考慮到各種測試手段，降低成本，縮短開發(fā)時間。下面闡述MEMS封裝中可能遇到的失效問題及其簡單可行的解決方法：

5.1 粘附失效

在懸臂梁和基底之間會因毛細作用、靜電吸附和直接化學鍵合等因素出現(xiàn)粘附失效。一般可采取腐蝕犧牲層，降低失效幾率。

5.2 應(yīng)力失效

不同材料擁有不同的的熱膨脹系數(shù)，在工藝過程中不同材料對于熱的反應(yīng)不一致，進而產(chǎn)生熱失配。選用具有相同近似熱膨脹系數(shù)的材料能有效降低殘余應(yīng)力。

機械應(yīng)力：在劃片過程中，容易產(chǎn)生切削的機械應(yīng)力，選擇合適的切削速度、進給深度、刀具型號及冷卻液的流速等。

5.3 氣密性失效

每一種材料會由于自身因素吸附一定的水氣或有機氣體，可以考慮在封裝前進行真空除濕和除氣，在封裝時選用對應(yīng)的吸附劑將氣體吸附去除。

5.4 測試

在測試過程中，分析每次出現(xiàn)的失效原因，并加強對應(yīng)工序的檢測手段。

6 未來發(fā)展趨勢

MEMS技術(shù)于20世紀90年代進入商業(yè)化時代，到目前已經(jīng)歷了二十余年。MEMS器件的封裝技術(shù)，經(jīng)歷了從保證單個器件性能的管殼封裝到原片級封裝，再到系統(tǒng)級封裝，多芯片模塊化封裝的發(fā)展歷程。總體上，MEMS封裝未來發(fā)展趨勢為：借鑒微電子技術(shù)封裝方法和經(jīng)驗，采取簡潔的標準化工藝，選用成熟設(shè)備，提高效率，批量生產(chǎn)并有效降低成本。利用原片級封裝技術(shù)，實現(xiàn)芯片的結(jié)構(gòu)保護，利用系統(tǒng)級封裝方法，實現(xiàn)MEMS芯片與ASIC、MEMS芯片與其他功能的MEMS芯片系統(tǒng)集成，向多功能、小型化方向發(fā)展。

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